Nắm được tính cần thiết của việc cung cấp kiến thức về rung ồn trên ô tô, nhà trường đã tổ chức giảng dạy môn học “Dao động và tiếng ồn của ô tô”.. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO NGHIÊN CỨU BIÊN SOẠN TÀI LIỆU “RUNG ĐỘNG VÀ TIẾNG ỒN TRÊN Ô TÔ (NVH)” PHỤC VỤ CHO SINH VIÊN CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ GVHD: TS NGUYỄN MẠNH CƯỜNG SVTH: TẠ CƠNG ĐẠT NGUYỄN HỒNG MINH SKL009405 Tp Hồ Chí Minh, tháng 8/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU BIÊN SOẠN TÀI LIỆU “RUNG ĐỘNG VÀ TIẾNG ỒN TRÊN Ô TÔ (NVH)” PHỤC VỤ CHO SINH VIÊN CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ SVTH: TẠ CÔNG ĐẠT MSSV: 18145337 SVTH: NGUYỄN HOÀNG MINH MSSV: 18145401 GVHD: TS NGUYỄN MẠNH CƯỜNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022 hỗn hợp, cơng suất động ICE cung cấp chia nhỏ truyền đến bánh xe thông qua hai đường truyền: nối tiếp song song Cấu hình hỗn hợp cho phép hệ thống truyền động động điện điều chỉnh tải động để đạt mức tiết kiệm nhiên liệu tối ưu Phần trăm công suất chạy qua đường truyền nối tiếp song song xác định theo thời gian thực để đạt hiệu suất tối ưu xe Một hệ thống điều khiển tinh vi cần thiết để kiểm soát đường truyền lượng để đạt hiệu nhiên liệu tốt Hình 7.6 Sơ đồ xe hybrid song song có cầu sau chủ động Hình 7.7 Sơ đồ xe hybrid hỗn hợp có cầu sau chủ động 7.3 Nguồn rung ồn bật xe Hybrid Trong hệ thống truyền lực xe hybrid, biến mô hộp số tự động truyền thống thường thay động điện Như nêu chương 3, chức 170 biến mô hộp số tự động truyền thống làm giảm dao động mô-men xoắn tần số đánh lửa động sinh ra; nhiên, hầu hết hệ thống xe hybrid, động máy phát điện kết nối trực tiếp thông qua bánh hành tinh tháo biến mô Điều cải thiện khả phản hồi hiệu hệ thống, dễ dàng gây rung động xoắn, đặc biệt trở nên tồi tệ khởi động dừng động Các vấn đề NVH khác hệ thống xe hybrid bao gồm rung động điện, tiếng ồn động điện tạo ra, rung động điện từ, tiếng ồn chuyển đổi điện, rung ồn phức tạp lượng tạo hệ thống lưu trữ lượng Các đặc điểm NVH kỹ thuật kiểm soát liên quan đề cập phần sau 7.3.1 Rung động tiếng ồn khởi động/tắt động Một đặc điểm bật xe hybrid động thường xuyên khởi động dừng lại lái xe thành phố Trong xe dùng ICE thông thường, động khởi động xảy khởi động xe gây rung động gây khó chịu cho người dùng điều kỳ vọng trước Ngoài ra, động ICE khởi động dừng thường thực tay số số trung gian Đối với xe điện hybrid, khởi động động ICE liên kết với nhiều yếu tố mức lượng pin nhu cầu mô-men xoắn xe, điều dẫn đến rung động "bất ngờ" xe Tùy thuộc vào thiết kế hệ thống truyền động xe, rung động khởi động xe hybrid phức tạp nữa, việc khởi động động ICE không xảy tay số số trung gian Một đặc điểm riêng khác xe hybrid hầu hết dòng xe hybrid chạy chế độ điện từ lúc khởi hành đến đạt đến tốc độ định, ví dụ tốc độ 15 km/h Trong suốt chế độ chạy điện này, tiếng ồn gồm tiếng ồn mặt đường, tiếng ồn gió tiếng ồn động điện với mức ồn gần Khi động ICE khởi động, nguồn tiếng ồn bị che tiếng ồn từ động đốt trong, gây thay đổi đột ngột chất lượng âm mức cường độ âm Vì ICE loại xe HEV / PHEV / BEV thường làm giảm kích thước, dao động xoắn mức độ tiếng ồn độ rung tăng so với xe thơng thường, giảm rung ồn xe điện hybrid động ICE khởi động nhiệm vụ quan trọng Các kỹ thuật thường áp dụng để giảm rung động khởi động / tắt động ICE xe hybrid bao gồm điều khiển thời điểm đánh lửa, thời điểm đóng / mở van nạp, vị trí dừng piston lượng nhiên liệu phun vào tuỳ theo giai đoạn hoạt động động 171 Ví dụ, để giảm rung động khởi động động cơ, thời điểm đóng van nạp thường xác định khoảng từ 100° đến 120° Ngoài ra, giai đoạn tắt động cơ, piston điều khiển để dừng vị trí sau điểm đóng van nạp trước TDC, hình 7.8 Để giảm rung động khởi động động kỳ nổ, ba biện pháp thường thực hiện: phun nhiều nhiên liệu sau khởi động máy để giúp đốt cháy ổn định, trì hỗn thời điểm đánh lửa để giảm gia tăng nhanh chóng mơ-men xoắn động cơ, mở dịng khí nạp nhẹ nhàng để tránh xáo trộn áp suất Hình 7.8 Vị trí dừng piston làm giảm rung động khởi động/tắt động 7.3.2 Động điện Động điện / máy phát điện máy điện - có nhiệm vụ chuyển đổi lượng điện thành lượng học ngược lại, phân loại vào nhóm dịng điện chiều (DC) dịng điện xoay chiều (AC) Vì động / máy phát điện nguồn lượng xe hybrid xe điện nên đặc tính tiếng ồn độ rung động / máy phát điện đóng vai trị quan trọng việc tích hợp hệ thống xe điện Các nguồn tiếng ồn độ rung động điện là: - Lực điện từ - Mất cân rôto - Vịng bi - Các lực khí động học Trong nguồn tiếng ồn rung động này, lực điện từ hoạt động khe hở stato rôto đặc trưng xung sóng điện Dao động lực điện từ gây gọi dao động điện từ, kết biến dạng định kỳ nhẹ khung động hút điện từ định stato rôto Tùy thuộc vào 172 tốc độ quay máy, tần số dao động điện từ thường nằm khoảng từ 100 đến 4000 Hz tiếng ồn từ động biểu dạng tiếng ồn tần số cao, dải tần thường từ 400 đến 2000 Hz Mất cân học rôto kích thích lượng rung động đáng kể, đặc biệt máy hoạt động tốc độ cao Cường độ tiếng ồn độ rung vòng bi xác định chất lượng sản xuất, độ xác gia cơng vị trí đặt vịng bi, đặc tính rung ồn giá ổ đỡ Mức cường độ tiếng ồn lực khí động học tạo phụ thuộc vào cấu tạo quạt kênh thơng gió máy, luồng khí tương đối lớn khoảng hở bất thường máy tạo âm đơn sắc - Dao động điện từ động điện Các cuộn dây stato rôto tạo trường điện từ riêng chúng máy, quay với tốc độ lệch pha với góc θ cố định Các trường có xu hướng bù trừ cho để tạo mô-men hoạt động máy Theo thiết kế, lực điện từ tạo không tác động lên dây dẫn mà tác động lên rôto stato Các nghiên cứu sâu cho thấy trạng thái hoạt động ổn định, rung động tiếng ồn sinh chủ yếu độ trịn khơng stato chế độ biến dạng liên tục gây áp suất hướng tâm Maxwell Mặt cắt ngang động điện thể hình 7.9 Các lực điện từ tác dụng vào động có phương hướng tâm phân bố đồng đối xứng góc; tổng lực điện từ tác dụng lên rôto máy điện khơng có khiếm khuyết Hình 7.9 Mặt cắt ngang rotor stato động 173 Hình 7.10 Phân bố áp suất Maxwell theo lực hình sin Tuy nhiên, stato bị ảnh hưởng lực điện từ có xu hướng làm biến dạng Hình dạng khơng gian lực sóng trịn đặc trưng số lượng sóng, gọi bậc dao động stato, xuất chu vi stato Bởi độ cứng stato tăng nhanh với tăng bậc dao động, thơng thường biến dạng có bậc thấp xem xét q trình phân tích dao động Hình 7.10 minh họa trịn khơng stato chế độ biến dạng áp suất Maxwell gây Biến dạng liên tục stato thường kích thích rung động hệ thống truyền động điện gây tiếng ồn Đối với máy điện khơng hư hỏng có bốn cực từ, có biến dạng liên tục trịn khơng bậc gây kích thích mạnh Tuy nhiên, động điện xe điện hybrid khơng thể đạt hình trụ hoàn hảo phải kể đến dung sai chế tạo, bậc rung động gây rung động; ví dụ, với máy điện bốn cực từ, biến dạng bậc hai gây kích thích Hình 7.11 Tác động Áp suất Maxwel lên rotor Mặt khác, lực điện từ có tác động lên dao động hướng kính rơto độ lệch tâm rôto so với stato Lực hướng tâm tác dụng lên rôto, thường gọi lực từ 174 không cân (unbalanced magnetic pull), tạo khe hở máy điện Lực từ khơng cân khơng kích thích rung động hướng tâm trục, mà làm phát sinh uốn cong trục, hình 7.11 dẫn đến cần thiết phải tăng đường kính trục kích thước ổ trục Bản chất âm đơn sắc tiếng ồn từ động điện làm phiền khách hàng, vấn đề tiếng ồn đơn sắc chí đóng vai trị lớn xe điện thiếu vật liệu kết cấu cách âm tiếng ồn đầy đủ xe dùng động ICE truyền thống Phổ tiếng ồn độ rung hệ thống truyền lực điện lên đến 8000 Hz, so với 1500 Hz hệ thống truyền lực ICE thông thường - Rung cân rôto Một nguồn dao động khác động điện cân rơto điều chí kích thích dao động toàn hệ thống truyền lực điện Sự cân rôto ngăn ngừa tải mức lên ổ trục giảm hư hỏng; đó, việc có rơto cân bằng, quay trơn tru nâng cao độ ổn định tăng tuổi thọ động điện Nếu trục quán tính (khối tâm) rôto lệch với trục quay, cân quay động điện xảy ra, dẫn đến rung động rôto quay Rung động xảy truyền đến ổ trục rôto điểm ổ trục chịu lực lần vịng quay Do đó, số vấn đề học khác động điện, chẳng hạn tiếng ồn tuổi thọ ngắn vòng bi, cân quay Mất cân quay động điện phân loại thành cân tĩnh động Sự cân tĩnh rơto thể hình 7.12 Để đảm bảo cân tĩnh, cần thêm khối lượng hiệu chỉnh mặt phẳng có khối lượng cân Loại cân tĩnh thường thấy bánh đà bánh xe tơ Hình 7.12 Mất cân tĩnh Rotor 175 Sự cân động xảy hai khối lượng đặt đối xứng trọng tâm, lệch 1800, thể hình 7.13, ta thấy khối lượng cân rôto đứng yên Tuy nhiên, rôto quay, hai khối lượng gây dịch chuyển trục quán tính xảy tượng cân bằng, dẫn đến rung động mạnh vòng bi Trong hệ thống truyền động điện hybrid, cân dễ dàng xác định điểm trục động điện kết nối với thành phần hệ thống truyền lực Hình 7.13 Mất cân động Rotor Một trường hợp khác kết hợp cân tĩnh động (hình 7.14), dạng cân phổ biến tìm thấy rơto hệ thống truyền lực hybrid Để điều chỉnh cân này, cần phải thực phép đo rung động máy chạy để thêm khối lượng cân hai mặt phẳng Hình 7.14 Mất cân hỗn hợp Rotor Trong xe Hybrid biện pháp sau thường sử dụng để giảm thiểu tượng rung động tiếng ồn: - Bù xung mô-men động ICE khởi động giảm độ xoắn trục truyền động cách sử dụng đặc tính phản ứng nhanh động 176 - Tối ưu cách bố trí nam châm vĩnh cửu để bù nhiễu điện từ, đặc biệt nhiễu điện từ thường trở nên tồi tệ cải tiến khả tăng tốc hiệu suất tái sinh - Tối ưu hóa hình dạng rơto stato để giảm tượng gợn sóng mô-men xoắn dải tốc độ cao - Cải thiện đặc tính rung hệ thống truyền động điện cách phân tách tần số cộng hưởng tăng độ cứng vỏ hộp số 7.3.3 Tiếng ồn từ thiết bị điện tử công suất Một xe điện hybrid thường trang bị hàng loạt chuyển đổi điện chuyển đổi DC - AC ba pha, chuyển đổi DC - AC pha chuyển đổi DC DC Để đạt hiệu hoạt động cao, chuyển đổi điện sử dụng nhiều linh kiện chuyển mạch, phần tử lưu trữ lượng, phần tử biến áp dựa vào điều khiển thích hợp cơng tắc để chuyển đổi cơng suất điện từ dạng sang dạng khác, tuỳ theo yêu cầu tải trọng Tần số chuyển mạch hầu hết chuyển đổi điện xe điện thường thiết kế lên đến 25 kHz, giảm xuống trường hợp tải nhẹ không tải để giảm tổn thất lượng chuyển mạch thiết bị điện tử công suất, tần số chuyển mạch thực tế rơi vào dải âm nghe Vì tần số chuyển đổi thiết bị điện tử cơng suất nằm dải tần số âm nghe được, rung động bị kích thích phát tiếng ồn Trong thực tế, tiếng ồn nghe thấy chuyển đổi điện phát từ hai nguồn: Hệ thống làm mát (làm mát chất lỏng làm mát khơng khí) thành phần từ tính phần tử biến áp, cuộn cảm lọc đầu vào cuộn cảm hiệu chỉnh hệ số công suất (powerfactor-correction PFC) Với hệ thống làm mát khơng khí, tiếng ồn làm mát chủ yếu nhiễu loạn khơng khí tạo cánh tản nhiệt chiếm ưu có tải nặng trung bình Mức độ tiếng ồn kiểm sốt cách tối ưu hóa luồng khơng khí tốc độ quạt làm mát Với hệ thống làm mát chất lỏng, tiếng ồn chủ yếu đến từ bơm Mặt khác, âm từ thành phần từ tính chủ yếu bao gồm hai phần tùy thuộc vào chế kích thích Phần phần lớn tiếng ồn từ tính hóa lõi Như biết, tính chất vật liệu từ tính (thường sắt từ) gọi từ giảo (magnetostriction), làm cho lõi từ thay đổi hình dạng trình từ hóa Do đó, tượng từ giảo gây tương tác học lõi cuộn dây dẫn đến rung động 177 Thứ hai, phần tiếng ồn từ thành phần từ tính lực điện từ tạo từ trường dòng điện cuộn dây linh kiện Từ trường chuyển mạch chuyển đổi điện dẫn đến biến dạng tuần hoàn lõi với tần số gấp đôi tần số chuyển mạch Lý gấp đôi tần số thay đổi chiều dài lõi hai hướng từ hóa Sự biến dạng lõi từ thể hình 7.15 Rõ ràng biến dạng tuần hồn lõi từ kích thích dao động học Để giảm tiếng ồn này, khoảng trống thêm vào để giảm rung động Hình 7.15 Biến dạng lõi từ Như thể hình 7.16, thiết bị chuyển mạch xe điện thiết kế với tần số hoạt động thay đổi để tăng hiệu suất, nghĩa tần số chuyển mạch giảm tải giảm, tần số chuyển mạch giảm xuống ngưỡng phạm vi âm nghe được, tải dịng điện ILoad1 Tần số chuyển mạch tối thiểu, fswMin, đạt không tải, thường cao ngưỡng phổ âm nghe Trong thực tế, kỹ sư thường sử dụng cách tiếp cận học điện để giảm nhiễu âm liên quan đến thành phần từ tính thiết bị điện tử cơng suất chế độ chuyển mạch Phương pháp tiếp cận học dựa kỹ thuật ngăn chặn chống rung động cách đánh vecni đổ keo Mặc dù kỹ thuật thành công số trường hợp chúng thường kéo theo tăng chi phí quy trình sản xuất cố gắng loại bỏ hoàn toàn tiếng ồn Trên thực tế, sử dụng phương pháp học che lấp hoàn toàn tiếng ồn xét đến Ngoài việc sử dụng kỹ thuật học, kỹ thuật điện sử dụng để loại bỏ tiếng ồn số trường hợp, phương pháp điện ưu tiên chúng thường hiệu tiết kiệm chi phí 178 Hình 7.16 Tần số hoạt động thiết bị chuyển đổi chế độ công suất Một kỹ thuật nâng cao để giảm tiếng ồn thiết bị điện tử công suất ngăn không cho tần số chuyển mạch nằm phạm vi tần số âm không che lấp thuật tốn điều khiển vịng kín thể hình 7.17 Bằng cách cấp ngược trở lại dịng điện đầu thiết bị điện tử công suất, tần số chuyển mạch trì dải tần số âm không nghe Biểu đồ tương ứng hoạt động tần số chế độ chuyển mạch thể hình 7.18 Hình 7.17 Vịng lặp kín điều khiển tần số chuyển mạch thiết bị điện tử cơng suất Hình 7.18 Tần số chuyển mạch sau điều khiển vịng lặp kín 179 Cần lưu ý điều kiện tải nhẹ không tải, tần suất chuyển mạch tăng lên dẫn đến gia tăng đáng kể tổn thất chuyển mạch Vì vậy, phương pháp học nên áp dụng để loại bỏ tiếng ồn nghe tải nhẹ vận hành không tải 7.3.4 Rung ồn từ hệ thống dự trữ lượng Không giống hệ thống phụ khác xe điện, hệ thống pin tương tác với nhiều yếu tố, ví dụ: yếu tố hóa học, điện/điện tử, học nhiệt Đặc tính độc đáo pin kéo theo nhiều thách thức kỹ thuật cố gắng tích hợp hệ thống pin để đáp ứng yêu cầu hiệu suất nghiêm ngặt để tăng qng đường xe điện Khơng có động đốt hệ thống truyền động khí phức tạp, xe điện chạy pin chạy êm thoải mái hơn, vấn đề tiếng ồn độ rung khơng coi trọng trình thiết kế chế tạo xe Trên thực tế, rung ồn khía cạnh quan trọng trình phát triển hệ thống truyền động điện trình thiết kế chế tạo xe Mỗi kiến trúc hệ thống hybrid công nghệ áp dụng nhìn chung mang đến thách thức tiếng ồn độ rung riêng biệt; điều hệ thống pin cho loại xe điện tầm xa thường đóng gói khay kim loại cứng Một khối pin nặng, không treo tích hợp vào xe khơng làm thay đổi đáng kể động lực phản ứng va chạm xe mà cịn nguồn gây tiếng ồn độ rung Để giảm ứng suất cao chấp nhận được, thực phân tích tính toán chi tiết nhiệm vụ thiết yếu, khung gầm thường sửa đổi phải thiết kế hoàn toàn Từ tổng quan rung động xe, rung động tần số thấp từ khung vỏ xe, rung động tần số trung bình từ hệ thống truyền lực rung động tần số cao từ dây dẫn cao áp đồng thời tác động lên hệ thống pin, từ bên bên khối pin Hơn nữa, rung động bên ngồi truyền vào bên pin cộng hưởng tần số riêng với điện từ bên pin Hình 7.19 cho thấy dao động uốn tần số thấp từ khung vỏ xe tác động lên pin, dẫn đến uốn cong khối pin kích thích cộng hưởng tần số dao động khung vỏ xe tiệm cận với tần số riêng pin 180 Hình 7.19 Tác động rung động tần số thấp lên pin Ngồi kích thích rung động bên ngồi nêu trên, khơng giống hệ thống khác, hệ thống pin bị tác động rung động bên Hình 7.20 cho thấy dao động bất thường dây tín hiệu cao áp xe chạy pin quãng đường 160 km kiểm tra US06, dấu dương sạc dấu âm xả điện Hình 7.20 Dịng tín hiệu cao áp xe chạy điện kiểm tra US06 Hình 7.21 cho thấy hai kết xuất tín hiệu nhiễu điện áp dây điện cao áp vặn hết ga xe PHEV quãng đường 65 km Dữ liệu dòng điện tương ứng dây cao áp thể hình 7.22 Thử nghiệm cho thấy gợn sóng dịng điện đạt đến độ rộng 250 A Dựa định luật Ampère lực tương tác hai dòng điện, hai dây dẫn song song mang dòng điện tác dụng lên dây lại lực tác dụng tỷ lệ với độ lớn dịng điện Do đó, lực điện từ tạo dịng nạp / xả điện tín hiệu nhiễu tác động lên thành phần điện ngắt kết nối pin (Battery disconnect unit _BDU), vỏ kim loại nút kết nối cell pin với Hơn nữa, kích thích cộng hưởng bên pin dẫn đến mỏi vật liệu thành phần hệ thống, làm hỏng kết 181 nối điện Thực hành kỹ thuật hệ thống pin cho thấy rung động nguyên nhân gốc rễ rò rỉ chất làm mát, chức cách ly điện áp cao, hỏng thiết bị điện hư hỏng kết nối Hình 7.21 Nhiễu điện áp dây điện cao áp Hình 7.22 Nhiễu dịng điện DC dây điện cao áp 182 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Gang Shen, Vehicle noise, vibration and sound quality, SAE International, USA, 2012 [2] Lâm Mai Long, Dao động tiếng ồn ô tô, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, 2012 [3] Jian Pang, Noise and vibration control in automotive bodies, China Machine Press, China, 2019 [4] Wei Liu, Hybrid electric vehicle system modeling and control, Wiley, USA, 2017 [5] Harald Naunheimer, Automotive transmissions, Springer, USA, 2011 [6] Giancarlo Genta, Lorenzo Morello, The automotive chassis Volume 2: System Design, USA, 2020 183 S K L 0